Исследование механизма возникновения очагов самовозгорания угля и обоснование способов предотвращения эндогенных пожаров в шахтах.

Скрицкий, Владимир Аркадьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование механизма возникновения очагов самовозгорания угля и обоснование способов предотвращения эндогенных пожаров в шахтах.
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование механизма возникновения очагов самовозгорания угля и обоснование способов предотвращения эндогенных пожаров в шахтах."

На правах рукописи

СКРИЦКИЙ Владимир Аркадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОЧАГОВ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ В ШАХТАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 ИЮЛ 2011

Новосибирск - 2011

4851792

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН

Научный консультант: член-корреспондент РАН, доктор

физико-математических наук, профессор Опарин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мурашев Вячеслав Иванович

доктор физико-математических наук Назаров Леонид Анатольевич

доктор технических наук Палеев Дмитрий Юрьевич

Ведущая организация: Институт проблем комплексного

освоения недр (ИПКОН РАН)

Защита диссертации состоится 21 октября 2011г. в П. час. на заседании Диссертационного совета Д 003.019.01 при Институте горного дела СО РАН по адресу: 630031, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН

Автореферат разослан « ¿V 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Несмотря на применяемые способы профилактики, в угольных шахтах страны до настоящего времени продолжают происходить аварии, обусловленные возникновением эндогенных пожаров (далее «пожаров») и взрывами метана.

В шахтах России с 1993 по 1997 годы возникло 325 пожаров, из них 155 (47,6 %) - в шахтах Кузбасса. Из 50 взрывов метана - 36 (72,0 %) произошли в шахтах Кузбасса. В последующие 1998-2002 годы, при общем снижении числа аварий, за счет закрытия особо опасных и не рентабельных шахт, в шахтах России возник 131 эндогенный пожар, и произошло 34 взрыва метана. В Кузбассе, на фоне общего снижения числа аварий рассматриваемого вида, наблюдался удельный рост аварий от всего числа аварий, произошедших в шахтах России: пожаров до 64 % (84); взрывов метана до 82 % (28). Удельное количество взрывов метана от аварий рассматриваемого вида, произошедших в шахтах Кузбасса в течение 1998-2002 гг., возросло с 18,8 % до 33,3 %. Следовательно, в Кузбассе наблюдается тенденция роста доли взрывов метана от аварий подобного вида. От всех аварий, происходящих в шахтах России, 66 % приходится на эндогенные пожары и взрывы метана, а ущерб от аварий этого вида достигает 78 % от ущерба всех аварий, происходящих в шахтах. Помимо материального ущерба аварии рассматриваемого вида имеют негативные социальные последствия, так как сопровождаются травматизмом и гибелью людей.

Так как эндогенные пожары и взрывы метана относятся к наиболее опасным, а зачастую и к непредсказуемым по последствиям видам аварий, то вопросы их предотвращения всегда были в центре внимания ученых научно-исследовательских институтов: ИГД им. A.A. Скочинского, ВостНИИ, Мак-НИИ, КузНИУИ; Московского государственного горного университета, Санкт-Петербургского государственного горного университета, Кузбасского технического университета. Существенный вклад в теоретические представления о процессе окисления и самонагревания угля, в разработку способов профилактической обработки выработанного пространства, предотвращения эндогенных пожаров и взрывов метана внесли: Скочинский A.A., Веселов-ский B.C., Маевская В.М., Чернов О.И., Саранчук В.И. Мясников A.A., Оги-евский В.М., Крикунов Г.Н., Игишев В.Г., Белавенцев Л.П., Палеев Д.Ю., Макаров С.З., Томашевский Л.П. и др.

НИР № 160060200, № гос. регистр. 01821039408 (Кемерово, ВостНИИ, 1985 г.); «Исследовать условия формирования газо-воздушной среды и разработать метод прогноза пожаровзрывобезопасности в выработанных пространствах на пологих газоносных пластах угля, склонного к самовозгоранию», отчет по НИР № 1614154000, № гос. регистр. 018600579 (Кемерово, ВостНИИ, 1988 г.); «Разработать комплекс мер по обеспечению пожаровзрывобезопасности выработанных пространств на пологих пластах угля, склонного к самовозгоранию», отчет по НИР № 1614154202, № гос. регистр. 01860057920 (Кемерово, ВостНИИ, 1988 г.); «Разработать и внедрить технические решения по эффективному предупреждению эндогенных пожаров в процессе отработки пологих и наклонных пластов при наличии в выработанном пространстве концентрированных потерь угля», отчет по НИР № 169101400, № гос. регистр. 1890032442 (Кемерово, ВостНИИ, 1991 г.); «Исследовать и определить запасы метана в выработанном пространстве для оценки возможности его промышленного использования на шахте им. Калинина отчет по НИР (Кемерово, РосНИИГД, 2002 г.); «Разработать аэрогазодинамическую модель выемочного участка для математического расчета распределения концентрации метана в действующих выработках и выработанном пространстве при нормальном и аварийном режимах проветривания», отчет по НИР (Кемерово, РосНИИГД, 2002 г.); «Переработка устава ВГСЧ и приложений к нему в части аэрологической безопасности», отчет по НИР (Кемерово, РосНИИГД, 2003 г.); «Исследовать условия, приводящие к взрывам метана в шахтах и разработать рекомендации по предотвращению их в очистных забоях» в плане НИР ИГД СО РАН по программе 7.7.1. СО РАН (Задание 2008 г., № гос. регистр. 2. 01.007 08544); этап «Исследование причин взрывов метана произошедших в шахтах Кузбасса и разработка мероприятий по их предотвращению в действующих высокопроизводительных очистных забоях» в интеграционном проекте СО РАН № 60 «Комплексные междисциплинарные исследования факторов генезиса и прогноза внезапных выбросов и взрывов метана в угольных шахтах России и Украины».

В выполнении перечисленных выше НИР автор принимал непосредственное участие в качестве ответственного исполнителя или научного руководителя работ.

Цель работы - развитие научных представлений о механизме возникновения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве очистных забоев и на их основе повысить эффективность способов предотвращения аварий, обусловленных возникновением эндогенных пожаров в угольных шахтах.

Идея работы заключается в том, чтобы при разработке новых и совершенствовании известных способов оценки эндогенной пожароопасности и предотвращения эндогенных пожаров учитывались роль влагообмена и горного давления в формировании и развитии очагов самонагревания угля.

Задачи исследований:

- анализ современного состояния в изученности процессов окисления угля и способов предотвращения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт;

- исследование влияния влажности угля и теплофизических параметров воздуха на интенсивность процесса окисления и на возникновение очагов самонагревания угля;

- разработать способы предотвращения очагов самовозгорания угля, основанных на управлении процессом тепло - и массообмена между разрыхленными скоплениями угля и утечками воздуха, поступающими в выработанное пространство;

- изучить изменение температуры угля в краевой части пласта в процессе механической работы по её разрушению и деформации, совершаемой силами опорного горного давления;

- разработать способы предотвращения эндогенных пожаров, основанные на учете влияния горного давления на возникновение в выработанном пространстве очагов самонагревания угля;

- разработать способ исключающий возможность распространения и дальнейшего развития по очистному забою и примыкающим к нему выработкам взрыва метана, произошедшего в выработанном пространстве из-за возникшего там очага самовозгорания угля.

Методы исследований. Анализ и обобщение научно-технической информации по тематике работы, обоснование и выбор направлений исследований, проведение теоретических и экспериментальных исследований, включающих лабораторные и натурные шахтные эксперименты.

Основные научные положения, защищаемые автором: 1. При окислительном процессе уголь переходит в стадию самонагревания после снижения на 60-70 % его естественной влажности. Одинаковый эффект снижения интенсивности самонагревания с 166 10"4 до 54 10"4 °С/с достигается при снижении в воздухе концентрации кислорода с 20 до 10 % или при повышении влагосодержания воздуха до 23' 10'3 кг/кг.

2. Пониженная эндогенная пожароопасность гидравлической технологии угледобычи обусловлена повышением влажности разрыхленных скоплений угля за счет седиментации в выработанном пространстве аэродисперсных частиц воды, образующихся при контакте высоконапорной струи воды с углепородным массивом, и конденсации влаги в выработанном пространстве при охлаждении в нем утечек воздуха до точки росы.

3. Оценка текущей эндогенной пожароопасности выработанного

пространства производится по соотношению К = , где й исх - влагосо-

держание воздуха, выходящего из выработанного пространства; а й вх - вла-госодержание воздуха, входящего в выработанное пространство, производится оценка текущей эндогенной пожароопасности выработанного пространства. При К > 1 существует потенциальная угроза возникновения очага самовозгорания угля, при К < 1 такой угрозы нет.

4. При отработке пологих пластов лавами, оборудованными механизированными очистными комплексами, снижение эндогенной пожароопасности выработанного пространства обеспечивается подачей в поток утечек воз-

духа аэрозоля, получаемого из водного раствора антипирогена, например, 20 % водного раствора хлористого кальция.

5. Под действием опорного горного давления краевая часть пласта подвергается упругопластической деформации, при этом в процессе механо-деструкции угля температура его возрастает и становится выше на 25-35 °С и более чем температура обрушенных пород и окружающего углепородного массива. При поступлении воздуха к такому нагретому и разрыхленному углю в нем возникают и развиваются до стадии самовозгорания очаги самонагревания угля.

6. При подвигании очистного забоя в пределах выемочного столба на восстание, непосредственно за линией очистной выемки в куполе обрушения пород формируется концентрированное скопление метана. Поэтому при взрыве метана в выработанном пространстве, инициированном возникшим там очагом самовозгорания угля, из-под купола обрушения происходит залповый выброс горящего метана в очистной забой и в примыкающие к нему горные выработки, где происходит дальнейшее развитие взрыва, порой с участием в нем угольной пыли.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и разработанных технических решений обоснована:

- обобщением результатов теоретических и экспериментальных исследований по данной проблеме, выполненных ранее другими авторами;

- корректным использованием законов аэрогазодинамики, теплофизики и механики горных пород при исследовании процессов, протекающих в выработанном пространстве выемочных участков;

- достаточным объемом экспериментальных данных, полученных в результате лабораторных и шахтных исследований, использованием математических методов расчета и обработки экспериментальных данных;

- сходимостью аналитических расчетов с экспериментальными данными лабораторных и шахтных исследований;

- включением в нормативные документы разработанных способов предотвращения эндогенных пожаров и методики оценки текущей эндогенной пожароопасности.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

- доказано, что процесс аккумуляции тепла в окисляющемся объеме угля происходит только после снижения влажности в разрыхленном угле на 60-70 % от влажности угля в пласте;

- установлено, что одинаковый эффект снижения интенсивности самонагревания угля достигается при снижении в воздухе концентрации кислорода с 20 % до 10 % или при повышении влагосодержания воздуха до

23 10"3 кг/кг;

- установлено, что по балансу влагосодержания в воздухе, проходящем через выработанное пространство, представляется возможным производить оценку текущей эндогенной пожароопасности выемочного участка;

- доказано, что при работе по разрушению краевой части угольного пласта силами, совершаемой силами опорного горного давления, в зоне упру-гопластических деформаций пласта выделяется большое количество тепла,

которое расходуется на нагрев угля. Вследствие этого температура отжатого из массива разрыхленного угля на 15-25 °С и более превышает температуру обрушенных пород и окружающего углепородного массива;

- установлено, что при отработке пластов к зонам повышенной эндогенной пожароопасности относятся сбойки, прорезающие междулавные целики;

- описан механизм распространения и последующего развития в очистном забое и в примыкающих к нему горных выработках взрыва метана, произошедшего в выработанном пространстве.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате развития научных представлений о природе возникновения очагов самовозгорания угля в шахтах, представилась возможность применить принципиально новый подход к разработке:

- методики оценки текущей эндогенной пожароопасности, основанной не на регистрации в атмосфере выемочного участка оксида углерода и иных индикаторных газов, появление которых свидетельствует о возникшем очаге самонагревания или самовозгорания угля, а на установленных закономерностях тепло - и массообмена, предшествующих возникновению очагов самонагревания угля;

- используемых в настоящее время способов предотвращения эндогенных пожаров, основанных на установленных закономерностях процесса тепло - и массообмена в выработанном пространстве между разрыхленными скоплениями угля и утечками воздуха, в том числе способа профилактической обработки выработанного пространства аэрозолем водных растворов антипирогенов;

- способов предотвращения эндогенных пожаров, разработанных с учетом влияния горного давления на процесс формирования и возникновения очагов самонагревания угля;

- способа отработки крутых пластов системой ПГО без оставления в выработанном пространстве межблочных профилактических целиков угля. Практическая реализация которого, в сочетании с профилактической обработкой выработанного пространства струями воды высокого давления, обеспечит безаварийную отработку выемочных полей, а также экономический эффект за счет дополнительно добытых 20-25 % угля;

- способа предотвращения распространения и развития по лаве и по примыкающим к ней горным выработкам взрыва метана, инициированного очагом самовозгорания угля в выработанном пространстве. При отработке пологих пластов системой ДСО практическое использование данного способа исключает возможность возникновения аварий, подобных авариям, произошедшим в Кузбассе на шахтах «Ульяновская» и «Юбилейная».

Внедрение результатов работы. 1. Методика оценки текущей эндогенной пожароопасности выемочных участков по балансу влагосодержания в утечках воздуха, проходящих через выработанное пространство, используется в угольных шахтах и включена в действующую (2007 г.) бассейновую «Инструкцию по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса (п. 3.1)»;

2. Обработка выработанного пространства аэрозолями водных растворов ан-типирогенов используется на шахтах и включена в бассейновую «Инструкцию по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса» (п. 2.4.2, 2.4.5, 2.4.6 и 2.4.9) и в «Руководство по применению способов торможения развития самонагревания угля в выработанных пространствах выемочных полей шахт» (Утв. 02.12.85 г. Минуглепромом СССР);

3. Способ профилактической обработки выработанного пространства высоконапорными струями воды при гидравлическом способе отработки крутых пластов угля включен в «Руководство по профилактике эндогенных пожаров с применением высоконапорных струй воды в гидрошахтах Кузбасса» (Утв. 17.06.1982 г. главным инженером ВПО «Кузбассуголь») и используется на шахтах. Основные положения указанного «Руководства ...» включены в бассейновую «Инструкцию по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса» (п. 2.4.7 и 2.4.8).

Личный вклад автора состоит:

- в теоретическом обосновании выбора направлений исследований;

- в формулировании общей идеи и цели работы;

- в разработке и реализации методик выполнения лабораторных и шахтных исследований;

- в разработке и практическом использовании методики оценки текущей эндогенной пожароопасности, основанной на балансе влагосодержания в утечках воздуха, проходящих через выработанное пространство;

- в формулировании и в обосновании достоверности гипотезы о существенном влиянии опорного горного давления на формирование в выработанном пространстве очагов самонагревания и самовозгорания угля;

- в разработке и внедрении в промышленное использование технических решений по предотвращению эндогенных пожаров;

- в раскрытии механизма распространения и последующего развития по очистному забою и по примыкающим к нему горным выработкам взрыва метана в выработанном пространстве, инициированного возникшим там очагом самовозгорания угля.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты исследований обсуждались на технических совещаниях в угледобывающих компаниях «Южкузбассуголь», «Прокопьевскуголь», «Кузбассуголь». «Си-буглемет», в производственном объединении «Гидроуголь» и докладывались:

- на конференциях с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды» (г. Новосибирск, 2006, 2008, 2009);

- на научном симпозиуме «Неделя горняка - 2010» (Москва, 2010);

- на научно-практических конференциях Сибирского регионального центра МЧС (г. Новосибирск, 2008,2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, из них 40 в соавторстве включая 1 монографию, 11 статей в рецензируемых изданиях, 9 авторских свидетельств СССР и 5 патентов РФ на изобретения, 16 статей в сборниках научных статей и 7 докладов в материалах конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложенных на 258 страницах машинописного текста. Содержит 47 рисунков, 30 таблиц, список использованной литературы из 156 наименований, и 3 приложения на 6 с.

Благодарности. Выражаю глубокую признательность и благодарность научному консультанту - член-корр. РАН, д.ф-м.н., проф. Опарину В.Н. за ценные рекомендации и консультации, оказанные автору при его работе над диссертацией.

Автор признателен:

- сотрудникам ИГД СО РАН д.т.н., проф. Леонтьеву A.B., д.т.н., проф. Серякову В.М., д.т.н., проф. Миренкову В.Е., д.т.н., проф. Кулакову Г.И., д.т.н. Попову Н. А. - за советы и доброжелательную поддержку автора при его работе над диссертацией;

- коллегам из института ВостНИИ д.т.н., проф. Л.П. Белавенцеву, к.т.н. А .Я. Каминскому - за вклад, внесенный ими в совместно выполненные научно-исследовательские работы;

- коллективу лаборатории дисперсных систем института ИХКиГ СО РАН и лично д. ф-м.н. Куценогому К.П. - за научно-методическую помощь в проведении исследований аэрозолей;

- инженерно-техническому персоналу угольных шахт и угольных компаний Кузбасса - за помощь и содействие в проведении шахтных исследований и внедрение в производство разработанных технических решений.

Автор чтит память д.т.н., проф. В.М. Маевской и д.т.н., проф. О.И. Чернова, которые, на начальном этапе научно-исследовательской деятельности автора в институте ВостНИИ, давали ему ценные советы и рекомендации в процессе проведения исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложены результаты анализа современного состояния изученности проблем: возникновения очагов самовозгорания угля в шахтах, способов профилактики и предупреждения эндогенных пожаров, на основании которого были сформулированы цели и задачи исследований.

До последнего времени в научно-технической литературе, касающейся вопросов предупреждения эндогенных пожаров, мнения о влиянии влаги на процесс окисления угля и возникновения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве шахт остаются противоречивыми. В связи с этим было принято решение о проведении целевых исследований по изучению роли влаги в процессе окисления угля и возникновения очагов самонагревания. С целью получения объективной оценки эффективности комплекса мероприятий, используемых в угольных шахтах для предотвращения в действующих выемочных участках эндогенных пожаров и взрывов метана, выполнен анализ технической документации и актов расследований аварий, произошедших угольных шахтах в период с 1993 по 2002 гг. При существующих технологических схемах отработки пологих и наклонных пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, эффективность используемых способов пре-

дупреждения эндогенных пожаров и взрывов метана в шахтах остается недостаточно высокой. Зачастую открытое пламя, возникшее в очаге самовозгорания угля, инициирует взрывы метановоздушной смеси, вследствие чего возрастают масштабы аварий и тяжесть их последствий. Поэтому в шахтах Кузбасса, при отработке таких пластов тяжесть и последствия аварий, обусловленных возникновением очагов самовозгорания угля, практически не снижаются. С 2001 по 2007 гг. на 7 шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты, произошли взрывы метана с тяжелыми последствиями - было травмировано 243 человека, в том числе 227 (93,4 %) смертельно. В связи с этим особую актуальность приобретает не только проблема предотвращения эндогенных пожаров, но и взрывов метана, происходящих в выработанном пространстве и распространяющихся по действующим горным выработкам шахт, особенно при отработке высокопроизводительными очистными забоями пологих и наклонных пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию. Из анализа материалов расследования 40 эндогенных пожаров, возникших в шахтах на юге Кузбасса, следует, что в выработанном пространстве действующих выемочных участков, отрабатывающих пологие пласты, эндогенные пожары возникают как при наличии геологических нарушений в пределах выемочных столбов, так и при их отсутствии. До 10 % пожаров, из 40 рассмотренных, возникли в отработанных и изолированных выемочных участках, что указывает на необходимость повышения герметичности возводимых в шахтах изолирующих сооружений. По мере увеличения сроков отработки выемочных участков число возникающих эндогенных пожаров возрастает. Но даже при сроках отработки выемочных столбов менее чем за 12 мес. возникает 12,5 % пожаров. Данное обстоятельство указывает, что используемый в настоящее время на шахтах комплекс пожарно-профилактических мероприятий недостаточно эффективен. По мере углубления горных работ частота возникновения эндогенных пожаров также возрастает. Это указывает на то, что на эндогенную пожароопасность выемочных участков каким-то, не установленным до настоящего времени, образом влияет горное давление. В связи с этим было признано необходимым проведение специальных исследований для уточнения, влияет ли горное давление, и каким образом, на возникновение очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве выемочных участков.

На крутых пластах, даже при менее пожароопасной гидравлической технологии угледобычи, эндогенные пожары продолжают оставаться одним из основных видов аварий происходящих в шахтах. В результате возникающих в отрабатываемых выемочных блоках и перепускаемых с ранее отработанных верхних горизонтов эндогенных пожаров, шахты теряют подготовленные к выемке запасы угля, несут большие экономические потери и, порой, оказываются на грани банкротства. В связи с тем, что шахты Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса являются градообразующими предприятиями, то разработка мероприятий, практическое использование которых исключит возможность возникновения эндогенных пожаров при отработке крутых пластов, повысит не только безопасность и эффективность ведения горных работ, но и позволит решить важную социальную проблему.

В связи с большим разнообразием условий залегания угольных пластов и применяемых технологий угледобычи проблема предупреждения эндогенных пожаров не может быть решена без учета горно-геологических условий залегания пластов в разрабатываемых месторождениях и применяемых технологий угледобычи.

Во второй главе рассмотрено влияние теплофизических параметров воздуха на процесс окисления угля и роль влагообмена в развитии процесса самонагревания угля. Представлены математическая модель процесса массо-обмена в выработанном пространстве и результаты аналитического исследования процесса теплообмена в выработанном пространстве между утечками воздуха и обрушенными породами.

Лабораторными исследованиями установлено, что аккумуляция тепла в окисляющемся объеме угля начинает происходить после снижения природной влажности угля на 60-70 %, вне зависимости от ее начального значения. На динамику роста температуры угля при его окислении существенное влияние оказывает также величина влагосодержания поступающего воздуха. По мере повышения влагосодержания воздуха интенсивность процесса окисления угля и роста его температуры снижается, что видно на рис. 1.

Рис. 1. Изменение температуры угля при окислении в зависимости от величины влагосодержания воздуха: 1-11,5 10"3 кг/кг; 2 -15,0 10"3 кг/кг; 3-20,0 10"3 кг/кг; 4 - 29,0 10"3 кг/кг; 5-48,8 10"3 кг/кг; 6 - 62,5 10'3 кг/кг

При равных условиях тепло - и массообмена между утечками воздуха и углем в выработанном пространстве в стадию самонагревания, с последующим переходом в стадию самовозгорания, быстрее перейдет уголь с меньшей исходной влажностью. Этим обусловлено большое число эндогенных пожаров возникающих при отработке крутых пластов в шахтах Про-копьевско-Киселевского района Кузбасса, где пластовая влажность угля редко превышает 3,0-3,5 %.

Аналогично происходит снижение интенсивности процесса окисления угля при снижении концентрации кислорода в воздухе (рис. 2).

Рис. 2. Изменение температуры угля при окислении в зависимости от концентрации кислорода в воздухе:

1 - 20,6 %;

2-18,0%;

3-13,0%;

4 - 8,0 %;

5 - 5,0 %

493 Тк.°К

453

413

373

/// /

п /

/ /// и.

Зависимости изменения температуры угля во времени (АТ/Ат), полученные для процессов окисления, протекавших при различных величинах влагосодержания воздуха и концентрации кислорода, представленные на рис.3, показывают, что одинакового снижения скорости нарастания температуры угля при его окислении можно добиться двумя путями - увеличением влагосодержания воздуха или снижением в нем концентрации кислорода. а о2

тп

Рис. 3. Изменение интенсивности самонагревания угля при различной величине влагосодержания с/(1) и концентрации кислорода Ог (2)в поступающем воздухе

10-

- 18

- 12

°У

дг о

Условиям самовозгорания угля соответствуют значения с/ и 02, расположенные в правой части диаграммы (рис. 3). Снизить концентрацию кислорода в утечках воздуха из действующего очистного забоя - задача не выполнимая. Повысить же влагосодержание утечек воздуха поступающих в выработанное пространство из очистного забоя можно осуществлять различными способами, не требующих ни изоляции выемочного участка, ни остановки горных работ.

Очаг самонагревания угля в разрыхленном угольном скоплении возникает, если фильтрация воздуха через него происходит со скоростью 0,001 м/с и менее. Анализ, выполненный с помощью математической модели, показал,

и менее. Анализ, выполненный с помощью математической модели, показал, что увлажнение угля в выработанном пространстве, снижающее уровень эндогенной пожароопасности, можно производить путем регулирования тепло-физических параметров утечек воздуха.

Лабораторными и аналитическими исследованиями установлено, что повышением влагосодержания утечек воздуха процесс окисления угля можно затормозить и растянуть во времени. Следовательно, повышая влагосодержа-ние поступающего в выработанное пространство воздуха можно отработать и изолировать выемочный участок до развития в выработанном пространстве очага самовозгорания угля.

В третьей главе приведены результаты натурных исследований процесса теплообмена в выработанном пространстве, дано описание способов предотвращения эндогенных пожаров и методики оценки эндогенной пожароопасности, основанных на закономерностях процесса тепло - и массообме-на, протекающего в выработанном пространстве.

При традиционной {«сухой») технологии угледобычи температура воздуха, поступающего к очистному забою, равна или близка температуре боковых пород (9-12 °С). А в очистных забоях гидрошахт в летние месяцы температура воздуха достигает 23,5 °С (при 100 % влажности), а з зимние - 16 °С, что превышает температуру окружающих горных пород, обусловленную геотермальным градиентом. Поэтому, при гидравлической технологии угледобычи процесс тепло - и массообмена между утечками воздуха и разрыхленными потерями угля в выработанном пространстве, в отличие от традиционных технологий, протекает преимущественно в направлении «воздух —► уголь». В связи с этим, в равных горно-геологических условиях ведения горных работ, эндогенная пожароопасность гидравлической технологии ниже, чем при традиционных («сухих») технологиях добычи угля. Это обусловлено тем, что, при гидравлической технологии угледобычи, в выработанном пространстве действующего очистного забоя, при охлаждении утечек воздуха до точки росы, происходит конденсация влаги на обрушенные породы и разрыхленные потери угля. В результате этого влажность потерь угля в выработанном пространстве не снижается.

Изученные закономерности изменения влажности угля в процессе его окисления свидетельствуют о том, что основным фактором, определяющим возможность протекания процесса самонагревания угля, является направленность процесса тепло - и массообмена от угля к воздуху. Исходя из этого, по направленности протекания процесса тепло - и массообмена в выработанном пространстве представляется возможным определять, может ли возникнуть очаг самовозгорания угля или нет. Если из выработанного пространства утечками воздуха происходит вынос влаги, то это указывает на потенциальную возможность возникновения очага самовозгорания угля. В случае если влагосодержание утечек воздуха выходящих из выработанного пространства меньше, чем на входе их в выработанное пространство, то в выработанном пространстве отсутствуют условия для сушки угля, соответственно и для возникновения очага самовозгорания угля.

Показателем текущей эндогенной пожароопасности выемочного уча-

стка служит соотношение

к =

< I, где ¿4Х и йисх влагосодержание

(кг/кг) утечек воздуха, соответственно входящих и исходящих из выработанного пространства. При К < 1 существует потенциальная угроза возникновения очага самовозгорания угля, при К > 1 - такой угрозы нет. Расположение мест измерения теплофизических параметров рудничной атмосферы для выполнения оценки эндогенной пожароопасности при некоторых технологических схемах отработки пластов показано на рис. 4.

Рис. 4. Места измерения влагосо-держания рудничной атмосферы для оценки эндогенной пожароопасности действующих выемочных участков при системах отработки:

а, б-длинными столбами по простиранию; в - щитовой при отработке крутых пластов; г - подэтажной гидроотбойкой (ПГО) при отработке крутых пластов

<---

р®1

Впервые методика оценки текущей эндогенной пожароопасности была апробирована на шахте «Южная» ПО «Северокузбассуголь» в лаве № 106, которой системой ДСО производилась отработка верхнего слоя пласта Вол-ковского, общая мощность которого достигала 6,3 м. В пределах выемочного столба угол наклона пласта изменялся от 18 до 32 °С, имелись также геологические нарушения типа «взбросо-надвига». Из-за сложных горногеологических условий скорость подвигания очистного забоя была в пределах 8-17 м/мес. Несмотря на сложные горно-геологические условия и низкую скорость подвигания очистного забоя, пожарно-профилактических мероприятий при отработке лавы № 106 не производилось. На момент проведения в лаве № 106 замеров теплофизических параметров воздуха, проходящего через выработанное пространство, в пробах воздуха присутствовал оксид угле-

рода (СО) в концентрации 0,005-0,008 %. В результате замеров было установлено, что каждым кубометром утечек воздуха, проходящим через выработанное пространство, выносилось 0,0006 кг влаги. За сутки, при дебите утечек 1,5 м3/с, утечками воздуха из выработанного пространства выносилось до 91,2 кг влаги. Это указывало на интенсивно протекающий процесс «выпаривания» (выноса) влаги из очагов самонагревания угля. Показатель эндогенной пожароопасности К, равный 0,924, указывал, что в выработанном пространстве лавы № 106 существовала реальная опасность возникновения очага самовозгорания угля. Результат оценки текущей эндогенной пожароопасности лавы № 106, выполненной по балансу влагосодержания в утечках воздуха, подтвердился через 2 суток после проведения замеров, когда в верхнем «кутке» лавы появился дым, поступающий из выработанного пространства.

Высокая эффективность и достоверность результатов оценки текущей эндогенной пожароопасности была получена при использовании разработанной методики в комплексно механизированных очистных забоях, в атмосфере которых концентрация оксида углерода приближалась к предельно допустимым значениям.

На шахте «Инская» (ныне «Листвяжная») в атмосфере верхних «кутков» лав № 905 и № 909 по пласту Сычёвскому-П была обнаружена повышенная концентрация оксида углерода достигающая 0,0082-0,012 %. Пласт Сычёвский-П состоял из двух угольных пачек разделенных 1,13-2,5 метровым пропластком углефицированного алевролита. Обеими лавами отрабатывалась только нижняя угольная пачка пласта мощностью 2,3-2,4 м. Вследствие этого в выработанном пространстве этих лав образовался слой, мощностью до 3,5 м, состоящий из разрыхленного угля и унифицированных пород. Для принятия решения о необходимых профилактических мероприятиях и о возможности дальнейшего ведения очистных работ была произведена оценка текущей эндогенной пожароопасности выемочных участков по балансу влагосодержания в утечках воздуха, проходящих через выработанное пространство лав. Результаты замеров представлены в табл. 1, где Тс и Т„ температура воздуха на сухом и влажном термометрах соответственно.

Таблица 1

Место измерения Теплофизические параметры воздух а

тс, °К Тв,° К Ратм 10\ Па <110'", кг/кг

Лава № 909, нижний «куток» 286,4 285,8 102,2 14,7

Лава № 909, верхний «куток» 283,8 283,4 101,9 12,5

Лава № 905, нижний «куток» 287,2 287,0 101,6 16,0

Лава № 905, верхний «куток» 286,2 285,8 101,3 14,7

Снижение влагосодержания утечек воздуха {(I) при прохождении их через выработанное пространство указывало, что сушка разрыхленных потерь угля не происходила, а, наоборот, влажность скоплений разрыхленного угля могла только повышаться за счет влаги, конденсирующейся из воздуха при его охлаждении. В лаве № 909 показатель эндогенной пожароопасности выработанного пространства Л" был равен 1,17, а в лаве № 905 - 1,08.

На основании результатов замеров было выдано заключение об отсутствии очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве лав № 909 и № 905, а повышенная концентрация СО - обусловлена низкотемпературным окислением большого объема разрыхленного угля и унифицированных пород. Достоверность выполненной оценки текущей эндогенной пожароопасное™ лав № 909 и № 905 подтвердилась их безаварийной отработкой. Аналогично высокая концентрация СО (0,01 %) была обнаружена в действующей лаве № 612 по пласту Сычёвскому-Ш в шахтоуправлении «Грамотеинское». В результате использования методики оценки текущей эндогенной пожароопасное™ было установлено, что критерий пожароопасности К-1,079. Исходя из направленности процесса тепло - и массообмена следовало, что очаги самовозгорания угля в выработанном пространстве не могли возникнуть. Достоверность оценки, выполненной по балансу влагосодержания в утечках воздуха, подтвердилась последующей безаварийной отработкой лавы № 612.

Высокая информативность и достоверность результатов опытно-промышленного использования методики оценки текущей эндогенной пожароопасности явились основанием для включения ее в бассейновые инструкции по предупреждению и тушению эндогенных пожаров в угольных шахтах, в том числе и для шахт Кузбасса.

В четвертой главе изложены результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований процесса седиментации аэрозольных частиц из воздушного потока при движении его через пористую среду. Установлено, что при движении через выработанное пространство аэрозольного облака, состоящего из частиц водного раствора хлористого кальция, влажность воздуха повышается до 100 % за счет испарения воды из аэрозольных частиц. Благодаря этому предотвращается возможность выноса влаги из разрыхленного угля. Кроме того, в процессе седиментации аэрозольных частиц, обрушенные породы и скопления разрыхленного угля обрабатываются гигроскопичным раствором антипирогена, что ведет к удержанию влаги в выработанном пространстве и непосредственно в угольных скоплениях.

В результате выполненных исследований обоснована принципиальная возможность использования аэрозолей на основе водных растворов гигроскопичных солей для профилактической обработки выработанного пространства действующих выемочных участков при отработке пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию. Разработан способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства. Сущность способа заключается в том, что из действующего очистного забоя в поток утечек воздуха, на входе его в выработанное пространство, вводится 20 % водный раствор хлористого кальция, распыленный до размера аэрозольных частиц. Схема профилактической обработки выработанного пространства аэрозолями антипирогенов при возвратноточной схеме проветривания лавы представлена на рис. 5.

Технология реализации разработанного способа при комбинированном способе проветривания выемочного участка представлена на рис. 6.

Рис. 5. Технологическая схема подачи в выработанное пространство аэрозоля антипирогена из действующего очистного забоя, где: 1 - тума-нообразователь; 2 - емкость для раствора антипирогена; 3 - насос (для распыления раствора используется гидрореактивный пылеподавитель типа ПГР)

Рис. 6. Технологическая схема подачи в выработанное пространство аэрозоля антипирогена при комбинированной схеме проветривании очистного забоя, где: 1 - туманообра-зователь; 2 - емкость для раствора антипирогена; 3 - насос

Способ обработки выработанного пространства аэрозолем водных растворов антипирогенов включен в отраслевые нормативные документы и используется на шахтах, отрабатывающих пологие и наклонные пласты, уголь которых склонен к самовозгоранию.

В пятой главе рассмотрена роль горного давления в формировании очагов самонагревания угля в выработанном пространстве выемочных участков и в развитии их до стадии самовозгорания. Очаги самовозгорания возникают в скоплениях разрыхленного угля находящихся в воздухопроницаемых краевых частях выработанного пространства на контакте с угольным массивом. При равенстве температур утечек воздуха и угля в разрыхленном скоплении, проходящим потоком утечек воздуха будет производиться лишь обдув поверхности такого угольного скопления. Однако, чтобы в разрыхленном скоплении угля начал развиваться очаг самонагревания вовнутрь его должен поступать воздух. Это возможно лишь в том случае, если между внутренней частью такого угольного скопления и потоком утечек воздуха, проходящего по краевой части выработанного пространства, имеется перепад температу-

ры, обусловливающий возникновение тепловой депрессии. На основании выше изложенного сформулирована гипотеза, что при работе, совершаемой силами горного (опорного) давления по разрушению краевой части угольного массива, протекающей с преодолением сил трения, выделяется тепло. В результате уголь, подвергнувшийся механодеструкции, приобретает температуру, превышающую температуру окружающего углепородного массива. Для проверки достоверности разработанной гипотезы выполнены лабораторные и шахтные исследования.

На шахте им. В.И. Ленина (г. Междуреченск, Кузбасс) на конвейерном штреке действующей лавы 0-5-1-2 была оборудована замерная станция. Схема расположения скважин с размещенными в них термодатчиками на глубине 2,4 и 5 м от устья, представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема размещения замерной станции с термодатчиками в конвейерном штреке

0-5-1-2

3 м

Результаты замеров температуры угля в скважинах № 1 (а) и № 2 (б), по мере приближения к ним очистного забоя лавы 0-5-1-2, приведены на рис. 8.

—I- Ц1.1 м 3

/Т\ Д114\

до лавы, м

Ь до лавы, м

Рис. 8. Изменение температуры угля в скважинах: № 1 (о); № 2 (б)

Когда линия очистной выемки приблизилась к скважинам на расстояние 5-7 м, во всех скважинах было зафиксировано повышение температуры

угля, достигающее 32-45 °С на глубине 5 м от устья скважин, что в 2,5-3,5 раза превышало температуру окружающего углепородного массива (12 °С).

В Кузбассе, на шахте «Ягуновская», в зоне повышенного горного давления (ПГД) на конвейерном штреке лавы № 204 по пласту Волковскому, так же для замеров температуры угля в зоне влияния опорного горного давления на краевую часть угольного массива была оборудована замерная станция, схема которой представлена на рис. 9.

си. 4 яз. 3 £Я- 6

_ скв. 1 скв, 2 скв. 3

лам 204-

конвейерный штрек 204

1| К-

К'

Рис. 9. Схема расположения скважин с термодатчиками на • замерной станции в конвейерном штреке лавы № 204 по пласту Волковскому на шахте «Ягуновская

При подходе лавы № 204 к скважинам длинной по 12 м на расстояние 4 м в них, на глубине 6 м от устья, фиксировалась максимальная температура угля 35- 41°С. А на глубине 2 м от устья скважин температура угля повысилась на 5 -7°С. На участке с 8- ми метровыми скважинами разгрузочной щелью глубиной 2 м и шириной 0,1 м была произведена разгрузка краевой части массива. В результате разгрузки зона максимальной температуры угля сместилась вглубь массива на 2 м и фиксировалась уже на глубине 8 м от борта штрека. При этом в краевой части массива, разгруженной от горного давления, повышения температуры угля не наблюдалось. В месте, где была произведена разгрузка краевой части пласта от горного давления, при подходе лавы разрушений и деформаций борта штрека не наблюдалось. Данный факт указывал на то, что, находясь в выработанном пространстве, такая разгруженная от горного давления краевая часть угольного пласта будет служить естественным барьером, ограждающим нагретые в процессе механодеструк-ции массы разрыхленного угля от контакта с потоком утечек воздуха. А там, где разгрузка не производилась (на участке с 12- метровыми скважинами) происходило интенсивное отслоение угля с образованием глубоких трещин. Следует отметить, что графики нарастания температуры угля в скважинах хорошо согласуются с закономерностями изменения опорного горного давления на угольный массив перед очистным забоем. Аналогичные результаты

были получены при замерах, проведенных по изложенной выше методике, на пласте К12 в шахте им. 50-летия СССР (г. Караганда).

Результатами лабораторных и шахтных исследований подтвердилась достоверность разработанной гипотезы. Изложенной гипотезой описывается физическая модель формирования очагов самонагревания угля в начальной стадии их возникновения и создания условий, при которых обеспечивается возможность развития их до стадии самовозгорания угля. Руководствуясь такой физической моделью, представляется возможным, на стадии планирования горных работ, определять места, в которых, при ведении очистных работ, наиболее вероятно возникновение очагов самонагревания угля. Это позволит вносить необходимые коррективы в технологию отработки и повысить эффективность пожарно-профилактических мероприятий.

Достоверность гипотезы о повышении температуры угля в зоне воздействия опорного горного давления на краевую часть пласта подтверждается также результатами исследований, изложенных в работах А.Д. Рубана, В.Н. Захарова, Г.Н. Фейта и О.Н. Малинниковой (ИПКОН РАН), посвященных исследованиям газодинамических явлений в угольных шахтах.

В шестой главе изложены сведения об эндогенных пожарах и взрывах метана, произошедших в шахтах Кузбасса, и результаты анализа этих аварий, выполненных с учетом влияния горного давления на формирование и возникновение в выработанном пространстве очагов самонагревания угля.

На шахте «Алардинская» 27.12.2006 г. взрывом метана, произошедшем в выработанном пространстве безаварийно отработанной лавы № 14-16 и изолированной в феврале 1987 г. были разрушены перемычки, изолирующие выработанное пространство. При восстановлении разрушенных перемычек произошел повторный взрыв метана, при котором были травмированы 4 горноспасателя.

На шахте «Инская» в 1989 г. по дыму, выделяющемуся из-за перемычки изолирующей конвейерный штрек так же безаварийно отработанной в 1983 г. лавы № 909 по пл. «Сычевский -И», был зарегистрирован эндогенный пожар. Причины возникновения этих двух аварий, разделенных во времени 18 годами, практически одинаковые. В обоих случаях была допущена подработка охранных целиков и изолирующих сооружений при отработке ниже залегающих пластов. Вследствие подработки в ранее изолированные выработанные пространства стал поступать воздух. Из-за перераспределения горного давления, произошло перемещение зон ПГД, что привело к повторной деформации и механодеструкции краевых частей целиков, сопровождавшееся отжимом новых скоплений разрыхленного угля с температурой превышающей температуру окружающего углепородного массива. В этих, во вновь сформировавшихся разрыхленных скоплениях угля, возникли очаги самовозгорания.

На шахте «Антоновская» УК ОАО «Южкузбассуголь» 02.04.2002 г. в глубине выработанного пространства лавы № 30-29 произошел взрыв метана. Схема аварийного участка представлена на рис. 10.

........................V-: ГП Г

Рис. 10. Схема выемочного участка лавы № 30-29

Взрывом была разрушена изоляционная перемычка в сбойке № 313б, помеченная стрелкой на рис. 10. Глубина ведения горных работ была 320 м. Длина выемочного столба по простиранию пласта 1100 м, длина лавы 100 м. Угол падения пласта 10-15°. Система отработки ДСО с комбинированным способом проветривания лавы. Монтажная камера лавы находилась на высшей высотной отметке выемочного столба. На момент возникновения аварии до полной отработки выемочного столба оставалось 40 м. Тем не менее, очистные работы в лаве уже были остановлены и велись работы по демонтажу оборудования для последующей изоляции выемочного столба. Все перечисленные мероприятия, ведущие к досрочной изоляции выемочного участка, позволяют сделать вывод о том, что работникам шахты было известно о возникновении в выработанном пространстве лавы № 30-29 очага самонагревания или самовозгорания угля. Однако в акте расследования аварии указано, что взрыв метана в выработанном пространстве обусловлен воспламенением его от искр, образовавшихся «при фрикционном трении песчаника об алевролиты при обрушении пород основной кровли». В связи с этим следует отметить, что до настоящего времени отсутствуют данные о том, что при обрушении осадочных пород возникают электрические разряды с энергией достаточной для воспламенения метана. Версия о том, что источником воспламенения метана явилось фрикционное искрение, образующееся при обрушении пород кровли, не согласовывается и с положением очистного забоя. Взрыв в выработанном пространстве произошел в месте, удаленном от очистного забоя на расстояние более 700 м, где подработанный массив находился в статическом равновесии. Следовательно, воспламенение и взрыв метана в выработанном пространстве лавы № 30-29 были инициированы не фрикционным искрением обрушающихся пород, а возникшим очагом самовозгорания угля. Это подтверждается последующей отработкой выемочных столбов № 30-33 и № 30-35 на этой же шахте, когда в аналогичных горно-геологических условиях в отработанном и изолированном выемочном столбе № 30-33 был обнару-

жен очаг самовозгорания угля. Схема выемочного участка представлена на рис. 11.

' Выоаботашгое гга-во лазы }

-СО = 0,09 ( л

Вент, штрек 30-35 1_=900м -Л-Конв. штрек 30-35 Ь=900м

Да}'

........ДДаЯВ^^и..................я1АВттятяштштшшштттяшшташтшшштщпетштш^т^

Вент, штрек 30-37 1= 1100м

Рис. 11. Схема аварийного выемочного участка отрабатываемого лавой № 30-35

На начальной стадии отработки выемочного столба № 30-35, в пробе воздуха, отобранной газоаналитической службой Новокузнецкого отряда ВГСЧ с вент, штрека 30-35 из-за перемычки 316в, была обнаружена концентрация СО, достигавшая 0,09 %. Такая высокая концентрация оксида углерода в отобранной из-за перемычки пробе свидетельствовала, что за перемычкой, изолирующей выработанное пространство отработанного выемочного столба № 30-33, возник и действует очаг самовозгорания угля. Возникновение очага самовозгорания угля в выработанном пространстве отработанной лавы № 30-33 объясняется низким качеством изолирующих сооружений, вследствие чего к скоплениям разрыхленного угля, образовавшимся в процессе механодеструкции краевой части угольного целика, в том числе, и внутри вентиляционных сбоек, поступал воздух, обеспечивавший развитие в таких скоплениях угля очагов самонагревания угля до стадии самовозгорания.

Отличие между двумя описанными выше авариями, произошедших в ш/у «Антоновское», заключается в том, что в одном случае возникший в выработанном пространстве очаг самовозгорания угля инициировал взрыв метана (лава № 30-29, рис. 10). А во втором (лава № 30-35, рис. 11) - очаг самовозгорания угля был обнаружен по высокой концентрации СО в пробе воздуха, отобранной из-за перемычки.

Если бы при расследовании двух выше описанных аварий произошедших в ш/у «Антоновское» было учтено влияние горного давления на возникновение очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве, то в технологию отработки пологих пластов системой ДСО могли быть внесения изменения и дополнения для снижения эндогенной пожароопасности. Однако этого не произошло. Поэтому в высокопроизводительных выемочных участках шахт Кузбасса, при отработке пологих угольных пластов, продолжают

происходить аварии, в возникновении которых прослеживается повторение всех этапов возникновения и развития аварий, произошедших в ш/у «Антоновское» в 2002 и 2003 годах. Об изложенном свидетельствует взрыв метана, произошедший в 19.03.2007 г. на шахте «Ульяновская» и повлекший гибель 110 человек. Схема аварийного участка на шахте «Ульяновская» представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема выемочного участка лавы 50-1 горными выработками

с прилегающими

t бис

Длина отрабатываемого выемочного столба лавы 50-11 по простиранию пласта составляла 1780 м, по падению пласта - 275 м. Вентиляционный и конвейерный штреки 50-116нс пройдены под углом наклона 0-3° к фланговому уклону. Следовательно, в пределах выемочного столба, подвига-ние лавы 50-11бие происходило на восстание. Первичная посадка основной кровли произошла 10.03.2007 г. после отхода лавы на 70 м от монтажной камеры. На момент взрыва метана лава № 50-11бис отошла на 112 м от монтажной камеры. Лава проветривалась комбинированным способом. Для проветривания лавы по вентиляционному штреку 50-11бис подавалось 1900 м3/мин воздуха. В момент произошедшего взрыва метана по призабойному пространству лавы проходило не менее 22 м3/с воздуха.

В акте расследования аварии указано, что эпицентр взрыва метана находился в призабойном пространстве нижней части лавы в месте нахождения комбайна (под 22 секцией мехкрепи). Источником воспламенения названо искрение на вводе силового кабеля в комбайн, произошедшее при его сдавливании и деформации. Следовательно, в призабойном пространстве проветриваемой лавы № 50-11бис и в примыкающей к ней части конвейерного штрека, на момент повреждения комбайнового кабеля, должна была быть взрывчатая концентрация метана. Однако до настоящего времени отсутствуют данные о том, что в атмосфере призабойного пространства очистных забоев, проветриваемых в штатном режиме, наблюдались случаи образования взрывчатой концентрации метана. Об этом же свидетельствуют и результаты расчетов, согласно которым в атмосфере призабойного пространства проветриваемой лавы № 50-11бис, в которой в течение 20 мин. предшествующие взрыву не производилась отбойка угля, не могло быть взрывчатой концентрации

метана. Из этого следует, что если бы в лаве под секцией № 22 (в месте нахождения комбайна) возник источник отрытого огня, то, из-за отсутствия взрывчатой концентрации метана в атмосфере призабойного пространства, это не могло привести к взрыву.

На шахте «Ульяновская» и в шахтоуправлении «Антоновское» отработка пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, производится по одним и тем же технологическим схемам (см. рис. 10 и 11). Реконструкция возникновения и развития аварии на шахте «Ульяновская», выполненная с учетом влияния горного давления на возникновение очагов самовозгорания угля, показала, что первичный взрыв метана произошел в выработанном пространстве лавы № 50-116ис и был инициирован очагом самовозгорания угля, возникшем в выработанном пространстве ранее отработанного выемочного столба № 50-11, но который не был обнаружен. В процессе отработки лавы № 50-11бис изоляция диагональной сбойки, прорезающей межлавный целик, была нарушена. Через раздавленный клинообразной выступ межлавного целика, из выработанного пространства ранее отработанной лавы № 50-11, огонь вышел в диагональную сбойку и инициировал взрыв метана в выработанном пространстве лавы № 50-11™°. Под действием взрывной волны из-под купола обрушения пород выработанного пространства, произошел залповый выброс метана и огня на сопряжение лавы 50-11бис с конвейерным штреком и на сопряжение сбойки № 5 с вентиляционным штреком 50-15, где произошли повторные взрывы с участием угольной пыли, приведшие к катастрофическим последствиям. Только таким образом можно объяснить не только взрыв метана, произошедший в лаве № 50-11бис и в прилегающих к ней выработках, но и деформацию комбайнового кабеля, которая произошла при воздействии взрывной волны на петлю кабелеукладчика.

Схема распространения взрыва метана из выработанного пространства по лаве и по примыкающим к ней выработкам представлена на рис. 13.

Рис. 13. Залповый выброс метана и пламени в лаву из-под купола обрушения под действием взрывной волны от взрыва мета-новоздушной смеси, произошедшего в выработанном пространстве

в\ш 50-15

эпицентр

Лава

эпицентр повторного взрыва

Анализ технической документации, содержащейся в актах расследования аварий произошедших в ш/у «Антоновское» и в шахте «Ульяновская», показал, что причины и условия, приведшие к аварии на шахте «Ульяновская», практически полностью, за исключением тяжести последствий, идентичны авариям, произошедшим в 2002 и в 2003 году в ш/у «Антоновское».

Если бы в ш/у «Антоновское» при отработке лавы № 30-35 не был своевременно обнаружен очаг самовозгорания угля в смежном отработанном выемочном столбе 30-33, то там, в 2003 г. могла произойти авария, подобная аварии произошедшей в 2007 г. на шахте «Ульяновская».

В седьмой главе Результаты выполненных аналитических, лабораторных и шахтных исследований явились научной основой для разработки новых способов предупреждения эндогенных пожаров. Описаны способы предупреждения эндогенных пожаров и способ предотвращения распространения по очистному забою и примыкающим к нему выработкам взрыва метана произошедшего в выработанном пространстве. Новизна разработанных способов подтверждена патентами РФ на изобретения.

Для технологической схемы отработки крутых пластов системой по-дэтажной гидроотбойкой (ПГО) способ профилактической обработки краевой части выработанного пространства представлен на рис. 14 и 15.

Узел А

■ ¿к--*-. ЧЛ-'т1- Г'*- '-5 1- \\ . • ' V. V • ; I ;:г 2 • < -.' >• , \

ггг

■ к

1 ■ -иЯА

■Л 1 1

1 1

Рис. 14. Технологическая схема профилактической обработки выработанного пространства действующего очистного блока, где: 1- водовод; 2 - высоконапорная струя воды; 3 - утечки воздуха; 4 -гидромонитор в очистной заходке

Предупреждение самовозгорания угля в активно проветриваемой зоне выработанного пространства достигается объемным увлажнением обрушенных пород и угольных скоплений путем воздействия на них высоконапорной струи технологической воды под давлением 10-12 МПа.

Учет А

Рис. 15. Принципиальная схема объемной профилактической обработки краевой части выработанного пространства на уровне подэтажного штрека, где: 1 - деревянная заглушка; 2 - контрольная воздухоотборная труба; 3 - утечки воздуха, насыщенные водяным аэрозолем; 4 - струя воды высокого давления; 5 - уплотненные слои раздробленных пород и угля; 6 - струйки воды, стекающие через обрушенные породы; 7 - насадка; 8 - перемычка; 9 - гидрозатвор; 10 - высоконапорный трубопровод; 11 - задвижка

При взаимодействии с обрушенными породами высоконапорная струя дробится на мелкие струи с одновременным образованием водного аэрозоля, за счет чего происходит объемное увлажнение пожароопасной зоны в краевой части выработанного пространства (см. рис. 15).

Контроль за эффективностью профилактической обработки осуществляется по методике оценки текущей эндогенной пожароопасности. Опытно промышленная апробация способа предупреждения эндогенных пожаров при отработке крутых пластов системой ПГО проводилась на гидрошахте «Красногорская» (г. Прокопьевск) в выемочном блоке № 2, в котором производилась отработка свиты крутых сближенных пластов Проводник, IT, III и IV Внутренние (с главного квершлага гор. -20 м.). Мощность пластов III и IV Внутренние в пределах выемочного блока составляла от 5-8 м, пласта Проводник до 1,2-1,6 м при угле падения 45-56°. Высокая эндогенная пожаро-опасность выемочного блока № 2 была обусловлена ведением очистных работ под потушенным эндогенным пожаром № 349-2Р на верхнем, ранее отработанном горизонте. Кроме того, в блоке № 2, до использования в нем описанного выше способа профилактической обработки, при отработке пл. Проводник были зафиксированы взрывы метана в выработанном пространстве, в связи с этим очистные работы останавливались. Вследствие этого блок № 2 был изолирован на 8 месяцев, в течение которых через скважины, пробурен-

ные с поверхности, производилась обработка выработанного пространства глинистой суспензией. После вскрытия блока № 2 и продолжения в нем очистных работ на уровне 3— подэтажей пластов II, III и IV Внутренних вновь было зафиксировано нарастание концентрации СО и повышение температуры воздуха за перемычками на I отработанном подэтаже. Поэтому выемочный блок № 2 вновь был изолирован для профилактической обработки глинистой суспензией через скважины, пробуренные с поверхности. После повторного вскрытия и продолжения очистных работ на 5-м подэтаже вновь был зафиксирован рост концентрации СО в выработанном пространстве до 0,01 %. Определенный по балансу влагосодержания показатель эндогенной пожароопасности К между I и II отработанными подэтажами равнялся 0,79. В связи с реальной опасностью возникновения эндогенного пожара в данном выемочном блоке, по нашей рекомендации, было принято решение, не останавливая очистных работ, производить обработку краевой части выработанного пространства высоконапорными струями воды. Периодичность обработки - 1 раз в 10 дней. Подача воды в краевую часть выработанного пространства на уровне каждого отработанного подэтажа производилась в течение 5 мин. При этом расход воды, при давлении 10 МПа, составлял 25 м3. После подачи высоконапорных струй в краевую часть выработанного пространства температура воздуха и концентрация СО за перемычками отработанных подэтажей начала снижаться. После четырех циклов профилактической обработки концентрация СО снизилась с 0,01 % до безопасного уровня 0,002 %. Температура и влагосодержание воздуха за перемычками II подэтажа снизились с 30 до 17 °С и с 27 I О"3 до 12,1 10~3 кг/кг, соответственно (см. рис. 16).

Рис. 16. Изменение влагосодержания воздуха в выработанном пространстве выемочного блока № 2 с главного квершлага западного крыла, север, гор.-20 м шахты «Красногорская», где:

1 - до профилактической обработки;

2 - после четырех циклов профилактической обработки

120

1-96 ч

О 1С

га -»о

h О о

3 Щ

влагосодержание воздуха в выработанном пр-ве. кг/кг -10"

В результате обработки краевой части выработанного пространства высоконапорными струями технологической воды, в условиях повышенной эндогенной пожароопасности, блок № 2 был безаварийно доработан. На основании положительных результатов опытно-промышленного использования

на шахтах «Красногорская» и «Тырганская» разработанный способ включен в отраслевые нормативные документы и применяется на всех шахтах г. Прокопьевска, на которых используется гидравлическая технология угледобычи из крутых угольных пластов.

Разработан способ предотвращения распространения по лаве и по примыкающим к ней горным выработкам взрыва метана, произошедшего в выработанном пространстве и инициированном возникшим там очагом самовозгорания угля (патенты РФ № 2360128 и № 2360127). Схема практической реализации способа представлена на рис. 17.

Рис. 17. Способ предотвращения распространения и развития по лаве и по примыкающим к ней горным выработкам взрыва метана, произошедшего в выработанном пространстве и инициированного очагом самовозгорания угля, где: 1- отрабатываемый выемочный столб; 2 - конвейерный штрек; 3- вентиляционный штрек; 4 - монтажная камера лавы; 5 - забой лавы; 6 - фланговая наклонная выработка; 7- купол обрушения над монтажной камерой; 8 - дегазационная скважина в купол обрушения; 9 - дегазационный трубопровод во фланговой наклонной выработке; 10 - обрушенные породы; 11 - купол обрушения в выработанном пространстве

Отличие предложенного способа заключается в том, что монтажную камеру располагают на высшей геодезической отметке выемочного столба. В результате этого, по мере отработки выемочного столба, в выработанном пространстве метан будет скапливаться на максимальной высотной отметке -в куполе обрушения пород над бывшей монтажной камерой, откуда через дегазационную скважину метан будет удаляться в дегазационный трубопровод. При отсутствии фланговой наклонной выработки скважина может быть пробурена с земной поверхности.

Для предотвращения возникновения эндогенных пожаров, а так же для исключения возможности перепуска горящих масс угля из ранее отработанных выше лежащих горизонтов в действующие выемочные блоки при отработке крутых пластов системой ПГО разработан способ отработки крутых пластов (патент РФ № 2390633). Предусматривается отработку выемочных столбов производить без оставления в выработанном пространстве межблоковых угольных целиков. Схема практической реализации способа представлена на рис. 18.

Рис. 18. Способ разработки крутых пластов угля, где: 1,6- вентиляционные квершлаги; 2,1 - аккумулирующие квершлаги; 3, 4 - вентиляционная и углеспускная печи; 5 - искусственный барьерный целик, сформированный из литой твердеющей закладки; 6, 7 - вентиляционный и аккумулирующий квершлаги первого выемочного блока; 8 - первый выемочный блок, отрабатываемый от искусственного барьерного целика; 9, 16 - межблоковые угольные целики, ранее оставляемые в выработанном пространстве в качестве профилактического; 10, 11, 12 и 17, 18, 19 - ходовые, вентиляционные печи и пульпопечи; 13, 14 - вентиляционный и аккумулирующий квершлаги второго выемочного блока; 20 - подэтажные выемочные штреки (отрабатываемый и в проходке)

Существенное отличие данного способа заключается в том, что отработку выемочных блоков, в пределах выемочного столба (горизонта), производят последовательно начиная с выемочного блока, примыкающего к сформированному из литой твердеющей закладки барьерному целику шириной 30-40 м. На всем протяжении выемочного столба межблоковые угольные целики, ранее оставляемые в выработанном пространстве в качестве профилактических целиков, отрабатываются совместно с подэтажами смежного отрабатываемого выемочного блока.

Способ предупреждения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве (патент РФ № 2372486) при отработке пологих пластов. Сущность способа заключается в смещении зоны упруго пластической деформации пласта вглубь массива, за счет прорезания в краевой части угольного целика разгрузочной щели. При этом разгруженная от горного давления краевая часть пласта, состоящая из не нагретого угля, ограждает нагретые и перемятые массы угля от контакта с утечками воздуха. Принципиальная схема практической реализации способа представлена на рис. 19.

Рис. 19. Схема деформации и разрушения в выработанном пространстве угольного массива (меж-дулавного целика), краевая часть которого разгружена в процессе проходки конвейерного штрека, где: 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - выемочный столб; 4 - разгрузочная щель под кровлей выработки, глубиной 1,7-2,0 м; 5, 6 - эпюры горного давления, соответственно до и после прорезания разгрузочной щели; 7 - зона механодеструкции краевой части пласта, в которой в процессе упругопластической деформации пласта, происходит повышение температуры разрушаемого угля; 8 - разгруженная от горного давления краевая часть пласта, ограждающая уголь в зоне 7 от контакта с воздухом; 9 - выработанное пространство

1»

\ ^ А-»|

А-А

3 ±

I ^такз

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические решения по предотвращению в угольных шахтах аварий, обусловленных возникновением эндогенных пожаров, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Доказано, что очаги самовозгорания угля в действующих выемочных участках образуются в краевых частях выработанного пространства на контакте с угольным массивом (угольным целиком).

2. Установлено, что уголь переходит в стадию интенсивного окисления (самонагревания) после снижения его естественной влажности на 60-70 %. Этим объясняется повышенная эндогенная пожароопасность шахт Прокопь-евско-Киселевского района Кузбасса, отрабатывающих крутые пласты, естественная влажность угля которых обычно не превышает 3,5 %.

3. Доказано, что пониженный уровень эндогенной пожароопасности гидравлической технологии угледобычи обусловлен повышением влажности угля в выработанном пространстве за счет конденсации влаги и седиментации из воздуха водных частиц аэрозоля, образующихся при взаимодействии высоконапорной струи из гидромонитора с угольным массивом.

4. Установлено, что, при работе совершаемой опорным горным давлением по разрушению краевой части пласта, температура угля в зоне упругопла-стических деформаций становится выше на 25-35°С и более чем температура обрушенных пород и окружающего углепородного массива. При поступлении воздуха к такому разрыхленному и нагретому углю, образовавшемуся в процессе механодеструкции краевой части пласта, в нем формируются условия способствующие возникновению очага самонагревания угля и его развитию до стадии самовозгорания.

5. Доказано, что при взрыве метана в выработанном пространстве из него огонь и метан взрывной волной вытесняются в действующий очистной забой и в примыкающие к нему выработки, где происходит дальнейшее развитие взрыва, в том числе с участием во взрыве угольной пыли.

6. Разработан способ, исключающий возможность распространения по лаве и по примыкающим к ней горным выработкам взрыва метана, произошедшего в выработанном пространстве.

7. Разработаны новые перспективные технические решения по предотвращению в шахтах аварий обусловленных возникновением очагов самовозгорания угля, в том числе, включенные в отраслевые нормативные документы:

- методика оценки текущей эндогенной пожароопасности выемочных участков осуществляемая по балансу влагосодержания в воздухе, проходящего через выработанное пространство;

- способ предупреждения эндогенных пожаров при гидравлической технологии отработки крутых пластов, основанный на объемной обра-

ботке водой краевой части выработанного пространства струями воды высокого давления;

- способ предупреждения эндогенных пожаров с применением водных растворов антипирогенов, подаваемых в выработанное пространство в виде аэрозоля. Способ позволяет производить профилактическую обработку выработанного пространства действующих очистных забоев без остановки горных работ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ: в монографии

1. Скрицкий В.А. Эндогенные пожары в угольных шахтах, природа их возникновения, способы предотвращения и тушения [Текст] / В.А. Скрицкий, А.П. Федорович, В.И. Храмцов. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2006. - 175 с.

в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

2. Белавенцев Л.П. Предупреждение эндогенных пожаров при расконсервировании участка [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, Ю.В. Максимов // Сб. "Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело". М: ЦНИЭИуголь,. - 1978, № 9. - С. 13-15.

3. Белавенцев Л.П. Предупреждение эндогенных пожаров при бесцеликовой отработке выемочных полей [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий // - «Уголь». - 1979, № 11. - С. 47-50.

4. Чернов О.И. Влияние влаги на развитие самонагревания угля [Текст] / О.И. Чернов, Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий // «Безопасность труда в промышленности». - 1982, № 5. - С. 34-36.

5. Белавенцев Л.П. Влияние гидравлической технологии угледобычи на эндогенную пожароопасность [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, Ю.И. Донсков // «Уголь Украины». -1983, №3.-С. 28-30.

6. Белавенцев Л.П. Предупреждение эндогенных пожаров при гидроотбойке [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, А.Е. Сазонов // «Уголь». - 1983, № 3. - С. 46-48.

7. Белавенцев Л.П. Исследования тепло - и массообмена при гидравлической выемке угля [Текст] / Л.П. Белавенцев,

В.А. Скрицкий, А. Я. Каминский // ФТПРПИ. - 1984, № 3. - С. 67-71.

8. Попов В.Б. Новые представления о природе начального теплового импульса при возникновении очагов самовозгорания угля в шахтах [Текст] / В.Б. Попов, В.А. Скрицкий, В.И. Храм-цов, C.B. Обидов // «Безопасность труда в промышленности». -2002, №3.-С. 36-38.

9. Скрицкий В.А. Аварии в шахтах Кузбасса. Некоторые причины их возникновения [Текст] / В.А. Скрицкий // М: "Горная промышленность". - 2007, № 5. - С. 54-55.

10. Скрицкий В.А. Взрывы метана в шахтах: трагедия на «Ульяновской» [Текст] / В.А. Скрицкий // М: "Горная промышленность". - 2008, № 3.

-С. 63-67.

11. Скрицкий В.А. Взрывы метановоздушной смеси в угольных шахтах Кузбасса. Причины и способы их предотвращения [Текст] / В.А. Скрицкий // М: "Горная промышленность". -2008,№4.-С. 78-80.

12. Опарин В.Н. Причины и возможности предотвращения взрывов метана и эндогенных пожаров в угольных шахтах Кузбасса [Текст] / В.Н. Опарин, В.А. Скрицкий // М: "Горная промышленность". - 2010, № 3. С. - 50-56.

в авторских свидетельствах и патентах на изобретения

13. А. с. СССР № 746123, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства [Текст] / Н.И. Линденау, Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, Ю.А. Миллер (СССР). - № 2610003/22-03; заявл. 25.04.78; опубл. 07.07.80; бюл. № 25. - 4 с. : 2 ил.

14. А. с. СССР № 800391, МКИ3 Е 21 F 5/00.. Способ предупреждения эндогенных пожаров в шахтах [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, Ю.И. Донсков, А.Е. Сазонов (СССР). -№ 2754734/22-03 опубл. 30.01.81; бюл. №4.-5 е.: 4 ил.

15. A.c. СССР № 877068, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства [Текст] / В.С.Евсеев, Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий (СССР). -№ 2888765/22-03; опубл. 30.10.81; бюл. № 40. -4 е.: 2 ил.

16. A.c. СССР № 972144, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ профилактики эндогенных пожаров в выработанном пространстве при отработке крутых платов угля системами подэтажного обрушения с гидроотбойкой [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, Ю.И. Донсков, А.Г. Степанов (СССР). - № 2988283/22-03; заявл. 03.10.80; опубл. 07.11.82; бюл. №41.-4 е.: 1 ил.

17. A.C. СССР № 1102981, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ снижения эндогенной пожароопасности выработанного пространства» [Текст] / B.C. Евсеев, Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий (СССР). - № 3510083/22-03; заявл. 04.11.82; опубл. 15.07.84; бюл. № 26. - 4 с. 1 ил.

18. A.C. СССР № 1112127, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ профилактики эндогенных пожаров в выработанном пространстве при разработке крутых пластов угля системами подэтажного обрушения с гидроотбойкой» [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий,

A.Я. Каминский (СССР). - № 3574132/ 22-03; опубл. 07.09.84; бюл. № 33. -5 е.: 3 ил.

19. АС. СССР №1267005, МКИ3 E21F5/00. Способ предупреждения эндогенных пожаров в шахтах [Текст] /Л.П. Белавенцев, В А Скрицкий, AJL Каминский, ВД Ялевский, Ю.Н. Малышев (СССР). - № 3942152^2-03; заяви 24.06.85; оп>бл. 30.10.86; бюл. №40.-3 е.: 1 ил.

20. A.C. СССР № 1530791, МКИ3 Е 21 F 5/00. Состав для предупреждения эндогенных пожаров [Текст] / Л.П. Белавенцев,

B.А. Скрицкий, С.П. Кучкин (СССР). № 4371127/23-03; заявл. 25.01.88; опубл. 23.12.89; бюл. №47.-3 с.

21. A.C. СССР № 1723339, МКИ3 Е 21 F 5/00. Способ снижения эндогенной пожароопасности угольного массива [Текст] /Л.П. Белавенцев, В.А. Скриц-

кий, А..Я. Каминский (СССР). - № 4808718/03; заявл. 04.04.90; опубл. 30.03.92; бюл. № 12. - 3 е.: 4 ил.

22. Пат. РФ № 2053363, МПК7 Е 21 F 5/00. Способ подготовки и разработки пологих и наклонных пожароопасных пластов угля [Текст]/ A.A. Давиденко, М.В. Калашников, В.А. Скрицкий, Ю.И. Донское. - № 5027284/03; заявл. 19.02.92; опубл. 27.01.96; бюл. №3.5 с. : 2 ил.

23. Пат. РФ № 2360127, М.ПК7 Е 21 F 7/00. Способ дегазации выработанного пространства» [Текст] / В.А. Скрицкий, Г.И. Кулаков, С.В. Мешалкин. - № 2008103380/03; заявл. 29.01.08; Опубл 27.06.2009; бюл. №18.-3 е.: 2 ил.

24. Пат. РФ № 2360128, МПК7 Е 21 F 7/00. Способ дегазации выработанного пространства [Текст] / В.А. Скрицкий, Г.И. Кулаков. — № 2008103381/03; заявл. 29.01.08; опубл. 27. 06. 2009; бюл. № 18. -3 е.: 2 ил.

25. Пат. РФ № 2372486, МПК7 Е 21 F 5/00. Способ предупреждения возникновения очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве [Текст] / В.А. Скрицкий. - № 2008124121/03; заявл. 16.06.2008; опубл. 10.11.2009; бюл. №31.- 7с.: 4 ил.

26. Пат. РФ № 2390633, МПК7 Е 21С 41/18, Е 21 F 15/00. Способ разработки крутых пластов угля [Текст] / В.А. Скрицкий, А.П. Тапсиев. № 2009103931/03; заявл. 05.09.2009; Опубл. 27.05.2010; бюл. № 15. - 7с.: 2 ил.

в сборниках научных трудов

27. Маевская В.М. Пожаробезопасные технологические и вентиляционные параметры при щитовой системе разработки [Текст] / В.М. Маевская, В.А. Скрицкий, Л.Ф. Косарь, В.А. Бол-дин // Сб. тр. ВостНИИ "Предупреждение и тушение подземных пожаров". Повышение безопасности на рудничном транспорте и взрывных работах, т. 22. - Прокопьевск, 1974. - С. 30-40.

28. Белавенцев Л.П. Исследование вентиляционных режимов выемочных полей шахт Приморья [Текст] / Л.П. Бела-

венцев, В.А. Скрицкий, А.И. Романов, E.JI. Счастливцев. // Сб. тр. ВостНИИ "Вентиляция шахт и предупреждение эндогенных пожаров", т. 28. - Кемерово, 1976. - С. 202-212.

29. Белавенцев Л.П. Пути повышения эффективности противопожарной профилактики при системах разработки с гидроотбойкой [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, Ю.И. Дон-сков, И.И. Арапов // Материалы Всесоюзного научно-технического совещания в г. Новокузнецке (октябрь 1980 г.) / Сб. "Повышение эффективности подземной добычи угля гидравлическим способом и перспективы ее развития". - Новокузнецк, 1981.-С. 24-27.

30. Скрицкий В.А. Особенности возникновения очагов самонагревания угля в гидрошахтах [Текст] / В.А. Скрицкий // Сб. тр. ВостНИИ "Борьба с эндогенными пожарами в шахтах". -Кемерово, 1984.-С. 41-45.

31. Скрицкий В.А. Предотвращение эндогенных пожаров при отработке пл. Кемеровского в сложных горногеологических условиях [Текст] / В.А. Скрицкий, Г.С. Тихонов, А.Г. Степанов, А.П. Григорьев // Сб. тр. ВостНИИ "Профилактика эндогенных пожаров в угольных шахтах". - Кемерово, 1989.-С. 76-83.

32. Белавенцев Л.П. Влияние теплофизических параметров атмосферы на эндогенную пожароопасность выемочных полей [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, А ..Я. Каминский // Сб. тр. ВостНИИ "Технология отработки пожароопасных пластов". Кемерово, 1987. - С. 44-49.

33. Белавенцев Л.П. Контроль ранних стадий самонагревания угля по теплофизическим параметрам рудничного воздуха [Текст] / Л.П. Белавенцев, В.А. Скрицкий, А .Я. Каминский // Сб. тр. ВостНИИ "Способы и средства предупреждения самовозгорания угля в шахтах". - Кемерово, 1988. - С. 4-14.

34. Скрицкий В.А. Особенность возникновения эндогенных пожаров при отработке пологих пластов угля длинными

столбами по простиранию [Текст] / В.А. Скрицкий, А.Я. Каминский, А.П. Григорьев, П.А. Нацаренус // Сб. тр. ВостНИИ "Способы повышения эндогенной пожаробезопасности угольных шахт". - Кемерово, 1990. - С. 23-31.

35. Скрицкий В.А. Эндогенная пожароопасность и пути ее снижения при отработке пласта бурого угля подземным способом на разрезе "Холбольджинский" [Текст] / В.А. Скрицкий, М.В., Калашников // Сб. тр. ВостНИИ "Безопасность труда при подземном и открытом способах добычи угля". - Кемерово, 1992.-С. 33-36.

36. Скрицкий В.А. Оптимизация схемы вскрытия и подготовки опытно-промышленного участка подземной отработки пласта 45 на разрезе "Холбольджинский" [Текст] / В.А. Скрицкий, М.В. Калашников, A.A. Давиденко // Сб. тр. ВостНИИ "Вопросы безопасности горных работ на угольных предприятиях" т. 1. - Кемерово, 1993. - С. 47-52.

37. Попов В.Б. Влияние горного давления на формирование в выработанном пространстве зон с повышенной температурой угля [Текст] / В.Б. Попов, В.А. Скрицкий //Сб. научн. тр. Рос-НИИГД. - Кемерово, 2000. - С. 95-97.

38. Попов В.Б. Опыт активного тушения эндогенного пожара в выработанном пространстве действующей лавы [Текст] / В.Б. Попов, В.А. Скрицкий // Вестник МАНЭБ № 11(35). - С-Пб., 2000. - С. 41-43.

39. Горбатов В.А. Изменение температуры угля в зоне повышенного горного давления [Текст] / В.А. Горбатов, А.П.Федорович, В.А. Скрицкий // Сб. научн. тр. РосНИИГД / "Борьба с авариями в шахтах". Вып. 16. - Кемерово, 2003. - С. 72-74.

40. Беляев В.И. Аэрогазодинамическая модель расширенной сети выемочного участка [Текст] / В.И. Беляев, В.А. Скрицкий, А.П. Федорович // Сб. научн. тр. РосНИИГД / "Борьба с авариями в шахтах". Вып. 16. - Кемерово, 2003. - С. 96-105.

41. Скрицкий В.А. Современное состояние управления метано-выделением в очистных забоях [Текст ] / В.А. Скрицкий, В.И. Беляев,

A.П Федорович // Сб. научн. тр. РосНИИГД "Борьба с авариями в шахтах". Вып. 16. - Кемерово, 2003. - С. 105-107.

42. Скрицкий В.А. О промышленной добыче метана из выработанных пространств ликвидированных шахт [Текст] / В.А. Скрицкий,

B.И. Беляев // Сб. научн. тр. РосНИИГД "Борьба с авариями в шахтах". Вып. 17.-Кемерово, 2007.-С. 106-116.

в материалах конференций

43. Тапсиев А.П. Горное давление как фактор, инициирующий возникновение очагов самонагревания угля в шахтах [Текст] / А.П. Тапсиев, В.А. Скрицкий // Сб. трудов конференции (10-13 октября 2006 г.) «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды». Том I. «Геотехнология». - Новосибирск, ИГД СО РАН, 2007. - С. 173-177.

44. Скрицкий В.А. Об эндогенной пожароопасности ведения горных работ в филиале ООО «Шахтоуправление Прокопь-евское» шахта «Коксовая» [Текст] / В.А. Скрицкий, В.А. Зареч-нев // Сб. трудов конференции (07-11 июля 2008 г.) «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды». Том «Геотехнология». - Новосибирск, ИГД СО РАН, 2008. - С. 265274.

45. Скрицкий В.А. Гипотеза о влиянии горного давления на возникновение начального теплового импульса в разрыхленных скоплениях угля [Текст] / В.А. Скрицкий // Сб. трудов конференции (07-11 июля 2008 г.) «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды». Том «Геотехнология». -Новосибирск, ИГД СО РАН, 2008. - С. 154-161.

46. Скрицкий В.А. О катастрофических взрывах метана в угольных шахтах Кузбасса и способ их предотвращения [Текст] / В.А. Скрицкий // Сб. научно-практической конференции (17 сентября 2008 г.) «Проблемы совершенствования природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территории муниципальных образований субъектов Российской Федерации Сибирского федерального округа». - Новосибирск, 2008. - С. 156-157.

47. Опарин В.Н. О зонально-дезинтеграционных процессах в углепородных массивах и проблеме изоляции выработанного пространства от поступления воздуха [Текст] / В.Н. Опарин, В.А. Скрицкий // Сб. трудов конференции (28 июня-2 июля 2010 г.) «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды». Том II «Геотехнология». - Новосибирск, ИГД СО РАН, 2010.-С. 19-23.

48. Скрицкий В.А. Снижение эндогенной пожароопасно-сти и повышение эффективности отработки крутых пластов угля в шахтах Кузбасса [Текст] / В.А. Скрицкий // Сборник материалов VII Международного конгресса «ГЭО - Сибирь -2011», т. 2, ч.2.-Новосибирск,2011.- С. 117-121.

49. Скрицкий В.А. К вопросу достоверности выводов о причинах взрывов метана в высокопроизводительных угольных шахтах Кузбасса [Текст] / В.А. Скрицкий // Сборник материалов VII Международного конгресса «ГЭО - Сибирь -2011», т. 2, ч. 2. - Новосибирск, 2011. - С. 122-126.

Подписано в печать 20.05.2011г. Формат 60 х 84 /16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч. печ. л. 1,7 Тираж 100 экз. Заказ № 19

Учреждение Российской Академии наук Институт горного дела СО РАН. 630091, г. Новосибирск, Красный проспект 54.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование механизма возникновения очагов самовозгорания угля и обоснование способов предотвращения эндогенных пожаров в шахтах."

Актуальность проблемы. Не смотря на применяемые способы профилактики, в угольных шахтахны до настоящего времени продолжают происходить аварии, обусловленные возникновением эндогенных пожаров (далее «пожаров») и взрывами метана.

В шахтах России с 1993 по 1997 годы возникло 325 пожаров, из них 155 (47,6%) - в шахтах Кузбасса. Из 501 взрывов метана - 36 (72,0%) произошли в шахтах Кузбасса. В последующие 1998-2002 годы, при общем снижении числа аварий, за счет закрытия особо опасных и не рентабельных шахт, в шахтах России возник 131 пожар и произошло 34 взрыва метана. В Кузбассе, на фоне общего снижения числа аварий рассматриваемого вида, наблюдался удельный рост аварий от всего числа аварий, произошедших в шахтах России: пожаров до 64%- (84); взрывов метана до 82% (28). Удельное количество взрывов метана от аварий рассматриваемого вида, произошедших в шахтах Кузбасса в течение 1998-2002 годов, возросло с 18,8% до 33,3% [4]. Следовательно, в Кузбассе наблюдается тенденция роста доли взрывов метана от аварий подобного вида. От всех аварий, происходящих в шахтах России, 66% приходится на эндогенные пожары и взрывы метана, а ущерб от аварий этого вида достигает 78% от ущерба всех аварий, происходящих в шахтах. Помимо материального ущерба аварии рассматриваемого вида имеют негативные социальные последствия, так как сопровождаются травматизмом и гибелью людей.

Так как эндогенные пожары и взрывы метана относятся к наиболее опасным, а зачастую и к,не предсказуемым по последствиям видам аварий, то вопросы по1 их предотвращению всегда были в центре внимания ученых научно-исследовательских институтов: ИГД им. A.A. Скочинского, ВостНИИ, Мак-НИИ, КузНИУИ; кафедр рудничной аэрологии и охраны труда Московского государственного горного университета, Санкт-Петербургского государственного горного университета, Кемеровского технического университета. Существенный вклад в теоретические представления о процессе окисления и самонагревания угля, в разработку способов профилактической обработки выработанного пространства, предотвращения эндогенных пожаров и взрывов метана внесли: Скочинский A.A., Веселовский B.C., Маевская В.М., Чернов О.И., Саранчук В.И. Мясников A.A., Огиевский В.М., Крикунов Г.Н;, Игишев B.F., Бе-лавенцев Л.П., Палеев Д.Ю., Макаров С.З., Томашевский Л.П. и др.

Диссертационная работа основана на результатах следующих научно-исследовательских работ: «Исследовать влияние технологических и вентиляционных параметров на эндогенную. пожароопасность при системах с гидромеханизацией в условиях шахт Кузбасса», отчет по НИР № 1611, № гос. регистр: 7903 8739 (Кемерово,, ВостНИИ, 1980г.); «Разработать комплекс оборудования' для подачи аэрозолей антипирогенов в. выработанные пространства», отчет по НИР № 1600604000- № гос. регистр. 182203940 (Кемерово, ВостНИИ; 1985г.); «Разработать, способы? торможения процессов окисления' угля в выработанном пространстве действующих выемочных полей: на пологих и наклонных пластах самовозгорающегося угля»,, отчет по НИР № 160060200, № гос. регистр. 01821039408 (Кемерово, ВостНИИ, 1985г.); «Исследовать условия формирования газо-воздушной среды и разработать метод прогноза пожаровзрывобезо-пасности в выработанных: пространствах на пологих газоносных пластах угля,. склонного к самовозгоранию», отчет по НИР № 1614154000, № гос. регистр. 018600579 (Кемерово, ВостНИИ, 1988г.); «Разработать комплекс мер по обеспечению, пожаровзрывобезопасности выработанных пространств- на пологих пластах угля, склонного к самовозгоранию», отчет по НИР № 1614154202, № гос. регистр. 01860057920 (Кемерово, ВостНИИ, 1988г.); «Разработать! и внедрить технические решениям по эффективному предупреждению- эндогенных пожаров в процессе отработки пологих и наклонных пластов при наличии в выработанном пространстве концентрированных потерь угля», отчет по НИР- № 169101400 № гос. регистр. 1890032442 (Кемерово, ВостНИИ, 1991г.); «Исследовать и определить запасы метана в выработанном пространстве для оценки возможности его промышленного использования на шахте им. Калинина НПО "Прокопьевскуголь"», отчет по НИР'(Кемерово, РосНИИГД, 2002г.); «Разрабодополнительно добытых 20-25% угля;

- способа предотвращения распространения и развития по лаве и по примыкающим к ней горным выработкам взрыва метана, инициированного очагом самовозгорания угля в выработанном пространстве. При отработке пологих пластов системой ДСО практическое использование данного способа исключит возможность возникновения аварий, подобных авариям, произошедшим в Кузбассе на шахтах «Ульяновска^ и^^^ Внедрение результатов работы;

1. Методика оценки текущей эндогенной пожароопасное™ выемочных участков по балансу влагосодержания в утечках воздуха, проходящих через выработанное пространство, используется в. угольных шахтах .и включена в: действующую (2007 г.) бассейновую «Инструкцию по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса (п. 3.1)»;

2. Обработка выработанного пространства' аэрозолями водных растворов! анти-пирогенов используется на шахтах и включена в бассейновую «Инструкцию»по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса (п. 2.4.2, 2.4.5^ 2.4.6 и 2.4.9)» и в «Руководство по применению способов торможения развития самонагревания угля в выработанных пространствах выемочных полей шахт» (Утв. 02.12.85 г. Минуглепромом СССР);

3;. Способ» профилактической- обработки выработанного пространства- высоконапорными; струями воды при гидравлическом способе отработки крутых пластов угля включен в «Руководство по профилактике эндогенных пожаров с применением высоконапорных струй воды в гидрошахтах Кузбасса» (Утв. 17.06. 1982 г. главным инженером ВПО! «Кузбассуголь»)и используется на шахтах. Основные положения указанного «Руководства .» включены в бассейновую «Инструкцию по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса (п. 2.4.7 и 2.4.8)». Личный вклад автора состоит:

- в теоретическом обосновании выбора направлений исследований;

- в формулировании общей идеи и цели работы;

В настоящее время для шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, отрабатывающих крутые мощные пласты угля, не существует альтернативной технологии угледобычи, равной или превосходящей по эффективности гидравлическую технологию угледобычи. Гидравлическая технология является более производительной и менее травмоопасной, так как при ее использовании обеспечивается дистанционное управление технологическими процессами по отбойке, транспортированию добытого угля и по управлению кровлей. Производственный травматизм при гидродобыче в 2-5 раза ниже, чем в шахтах, работающих в1 аналогичных горно-геологических условиях по традиционной, технологии угледобычи [14-16].

Помимо меньшей- частоты травматизма при гидродобыче значительно-ниже и тяжесть последствий от несчастных случаев, что подтверждается статистическими данными [14, 15].

Несмотря* на- преимущества гидравлической технологии' угледобычи для • нее также актуальна проблема снижения эндогенной пожароопасности, соответственно и повышения эффективности способов предупреждения самовозгорания угля, особенно при отработке крутых пластов.

На шахте «Тырганская», со времени пуска ее в эксплуатацию и до 1986г., было зарегистрировано 46 эндогенных пожаров, в том- числе 4 - при гидродобыче. Такое соотношение числа возникших пожаров при различных технологиях угледобычи объясняется тем, что «до 1977г. на шахте добыча угля осуществлялась традиционным для Прокопьевско-Киселевского района способом - буровзрывным. За указанный выше- период времени на шахте5 «Тырганская» при традиционной технологии угледобычи в-среднем за год возникало 1,63 эндогенных пожаров. После перехода шахты на гидравлическую технологию угледобычи этот показатель понизился до 0,4 пож./год. При этом следует отметить, что к моменту перевода шахты-на гидротехнологию на ранее отработанных горизонтах было зарегистрировано 42 эндогенных пожара. Наличие этих пожаров, несомненно, представляло опасность возникновения их рецидивов и пере

Информация о работе

Скрицкий, Владимир Аркадьевич
доктора технических наук
Новосибирск, 2011
ВАК 25.00.20

Диссертация

Исследование механизма возникновения очагов самовозгорания угля и обоснование способов предотвращения эндогенных пожаров в шахтах. - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы